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手机屏幕“护眼”知多少——PWM调光和DC调光之深度解析

 supermbt 2023-04-21 发布于河南
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1,PWM调光

首先,要引入一个“占空比”的概念,其具体意义为电路被接通的时间占整个电路工作周期的百分比。为了控制这个百分比,就有了占空比控制(即电控脉宽调制技术)。

这个技术通过控制开关电路的接通和关闭之比率大小,实现了对工作元件上电压信号的电压平均值控制,从而最终实现了对流经工作元件的电流控制。

其实归纳一下,也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比,即为占空比。通过占空比控制(即电控脉宽调制技术),就可以实现OLED屏幕的亮度调节。

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而其中的“脉宽调制”即为我们日常所见的 PWM(Pulse width modulation),全称为“脉冲宽度调制”,这便是“PWM调光”的由来。其工作机制具体如何,这里举个例子。

假如使用一个24V的电池来给一个LED灯供电,其中有个开关可以控制电路的闭合(闭合时间可以按照占空比调节),而这个开关的闭合周期为0.1秒(即0.1秒内完成一开一关)。

那么,在这个闭合周期内,假如占空比为50%(即开关的闭合两个动作耗时相同),那么LED灯得到的电压等效于(24V+0)/2=12V,其亮度也只有额定最高亮度的一半。

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由于一秒钟内这个闭合周期会重复10次,于是就得到了10hz的调制频率。手机屏幕也一样,可以通过这个工作原理得到不同的亮度和调制频率。

而这个调制频率,便是现在低频PWM调光和高频PWM调光区分的依据。可能有人会疑惑,要控制屏幕亮度,控制电流来调节不也行吗?事实的确是没问题。

但OLED屏幕像素的色度会随着正向电流的变化而变化,这种色谱偏移会影响视觉效果。而PWM调光则可以完美解决这个问题,因为OLED像素始终工作在满幅度电流和0之间。

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2,高频PWM调光

假如手机屏幕调光的频率很低,人眼就会感到闪烁。所以为了充分利用人眼的视觉残留机制,一般调光频率都会在200hz以上。

因此,就算是低频PWM调光,频率也是在200hz以上。另外,PWM调光可以拥有极高的调光精确度,可以完美和数字控制技术(例如手机相关芯片)相结合。

这就是为什么低频PWM调光在三星和苹果的手机上,大行其道之根本原因——挺好的没必要折腾。这样问题又来了,高频PWM调光优势究竟在何处呢?

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通过PWM调光,理论上是可以覆盖任何亮度场景的。但是,随着等效亮度的降低,人眼对于光强的变化越来越敏感。

特别是对于频闪敏感的人群,当亮度降低至一定阈值,“灾难”就来了。因为这时候屏幕由于占空比控制而产生的“黑条纹”,会明显比“亮条纹”宽(亮度越低就越宽)。

对频闪敏感的人这时候就变得更敏感了,俗称的“瞎眼屏”就是这么受嘲而来的。那么,这个问题该如何解决呢?

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试想一下,假如将调制频率提高,这样不就等效于“黑条纹”变窄了吗?而且是这个频率越高就越窄!

也就是说,直接将调制频率提高至频闪敏感者的感应上限,不就解决低亮度眼睛不适的问题了吗?事实就是这样,所以高频PWM调光才会这么受欢迎。

而在“护眼”这方面,做出巨大贡献的是国产屏幕厂家——现在高频PWM调光的频率最高已经来到了2160hz!

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3,DC调光

DC的意思很简单,就是“ Direct Current(直流电)”。也就是说,DC调光即为简单粗暴控制电流或者电压强度来调节屏幕亮度,既直接又全局护眼。

但由于屏幕结构和显示原理不一样,所以OLED屏幕无法做到LCD屏幕的“真DC调光”,具体原因刚才已经讲过了——亮度的变化会造成OLED像素的色谱偏移!

毕竟,OLED屏幕不可能一直保持最高亮度的,特别是日常使用的时候手动最高亮度基本远低于全局最高亮度(所以手动最高亮度的时候依然会有“黑条纹”的存在)。

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而且,在低亮度下,DC调光比低频PWM调光还不如,毕竟后者并不会影响彩色准确度。那么,低亮度条件下DC调光是如何变得不堪的呢?下面打个比方。

假如马云将月收入除以100,那么月入过百万基本妥妥的。可是,若将小明的3000元月薪除以100,那估计小明会找这个“狠心人”拼命——根本没法活啊!

将这个例子代入亮度调节中,就会发现,高亮度条件下,通过电压调节亮度很容易(因为均分电压够大);但是,低亮度条件下,电压控制非常不稳——均分得太小了做不到精准啊!

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4,行业现状

说到这里,PWM调光和DC调光的要点基本已清。那么,为什么很多国产手机厂商选择“高亮度类DC调光+低亮度高频PWM调光”的组合呢?

首先在低亮度高频PWM调光方面,上面已经说明白了,这里不再赘述。

那么“类DC调光”又是啥呢?其实这就是软件级的PWM调光优化方案,会减少频闪,但频闪并不会消失——所以这个方案也叫作“防频闪模式(只防不绝)”。

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既然高频PWM调光有这么明显的优点,那么苹果和三星为什么不跟进呢?首先就是增加了OLED屏幕的成本和体积,这样相对于LCD屏的优势就减小了。

其二则为OLED屏幕的寿命问题,最后就是功耗问题。所以华为的P60系列选择了中等的1440hz调光频率,小米13 Ultra也没有选择最高的调光频率而是选择了偏高的1920hz方案。

由此也可以看出,三星并不想折腾高频PWM调光,苹果也没有意愿向三星定制高频PWM调光屏幕。

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5,护眼建议

尽量还是不要在黑暗中玩手机,高频PWM调光只能改善频闪状况,却并不能杜绝频闪。另外,还有一个点需要注意。

对于大部分人而言,实际上伤眼的并不是发生在仔细看PWM调光屏幕之时,而是在视觉中心转移的时候。例如,当你看手机久了之后,再看书本,会不会眼晕?

所以,在注视屏幕久了之后,要转移视线的话最好先把眼睛闭上。这样让大脑有了“重置”的时间,就会重新在新的光线环境下载入。

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